Messung und Modulation membrannaher Prozesse in menschlichen Zellen mit optischen Methoden

Eine jede lebende Zelle hält an ihrer Plasmamembran ein elektrisches Ruhemembranpotential aufrecht, welches entscheidende Rollen u. a. bei der neuronalen Signalweiterleitung oder elektrogenen Transportprozessen einnimmt. In dieser Arbeit wurden dazu ratiometrische, genetisch codierte Spannungssensoren (rArc und rASAP) entwickelt, die in Kombination mit Verfahren zur automatisierten Hochdurchsatzmessung und Datenauswertung zur Bestimmung des zellulären Ruhemembranpotentials eingesetzt werden können. Mit den entwickelten Methoden konnte u. a. der hyperpolarisierende Effekt der ektopischen Expression krankheitsrelevanter Kaliumkanäle und Kaliumkanalmutanten auf das zelluläre Ruhemembranpotential nachgewiesen werden. Die Regulation des elektrischen Potentials der Plasmamembran wird maßgeblich über die Aktivität von Ionenkanälen bestimmt, die ihrerseits über intrazelluläre Signalmoleküle wie Ca2+, CO oder Fe2+ reguliert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass das photolabile CO-freisetzende Molekül CORM-S1 auch als Fe2+-freisetzendes Molekül verwendet werden kann. CORM-S1 wurde in Kombination mit einer Blitzlichtquelle zur Erzeugung schneller Fe2+-Konzentrationssprünge eingesetzt und so die Geschwindigkeit der Fe2+-abhängigen Aktivitätsänderung von BKCa-Kaliumkanälen bestimmt. Signalprozesse über Signalmoleküle wie Ca2+ laufen häufig in räumlich stark begrenzten Bereichen ab. Hier wurden dazu aufwärtskonvertierende Nanopartikel (UCNPs), welche nahes Infrarotlicht in sichtbares bis ultraviolettes Licht umwandeln, auf ihre Eignung als lokale Quellen photochemischer Reaktionsnanodomänen untersucht. Als Modellsystem wurde die lokale Photokonversion des photokonvertierbaren Fluoreszenzproteins Dendra2 durch UCNPs untersucht. Mit diesem Modellsystem konnte gezeigt werden, dass molekular platzierte UCNPs zur räumlich begrenzten Manipulation von membrannahen Prozessen mit einer Auflösung weit unterhalb der Auflösungsgrenze klassischer Lichtmikroskopie geeignet sind.